地鐵振動(dòng)的地下連續(xù)墻隔振實(shí)測分析★

李 寧

(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200438)

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地鐵振動(dòng)的地下連續(xù)墻隔振實(shí)測分析★

李 寧

(上海巖土工程勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200438)

通過現(xiàn)場實(shí)測上海某地鐵沿線場地設(shè)置地下連續(xù)墻前后的振動(dòng)變化情況，從時(shí)域和頻域角度，分析了地下連續(xù)墻對地鐵振動(dòng)的隔振效果及規(guī)律，測試分析結(jié)果表明：地下連續(xù)墻對地鐵運(yùn)營引發(fā)的地面中高頻及低頻振動(dòng)均有較好的隔振效果，可作為一種減小地鐵振動(dòng)對環(huán)境影響的有效隔振手段。

地下連續(xù)墻，地鐵振動(dòng)，隔振效果，加速度

1 概述

對于軌道交通系統(tǒng)，地鐵列車在軌道上行駛時(shí)，車輪與軌道接觸引起軌道周期性的振動(dòng)、車輪在軌道接縫處引起的沖擊振動(dòng)會(huì)經(jīng)鋼軌通過道床傳到隧道結(jié)構(gòu)，再通過隧道結(jié)構(gòu)傳遞到周圍的土層中，進(jìn)而通過土層向四周傳播，誘發(fā)附近地下結(jié)構(gòu)以及地面建筑物的二次振動(dòng)。

為減少振動(dòng)對環(huán)境影響，填充溝等屏障隔振方式在工程中得到應(yīng)用。地下連續(xù)墻作為一種圍護(hù)結(jié)構(gòu)，因可適用于各種復(fù)雜地質(zhì)條件、整體剛度大、整體性好、可減少工程施工對周圍環(huán)境的影響等優(yōu)點(diǎn)得到廣泛應(yīng)用。從屏障隔振的角度來看，混凝土地下連續(xù)墻相當(dāng)于填充材料為混凝土的填充溝，屬于一種剛性連續(xù)屏障。文獻(xiàn)[1]研究了空溝和填充溝渠屏障的隔振效果，研究表明填充溝屏障可以減少80%的振動(dòng)。文獻(xiàn)[2]研究了影響屏障的主要參量，得出了剛性屏障不會(huì)產(chǎn)生明顯的入射波全投射的現(xiàn)象，在實(shí)際工程中首先選擇剛性屏障。文獻(xiàn)[3]采用類比調(diào)查與理論估算相結(jié)合的手段，分析研究了上海音樂廳遷移后受地鐵運(yùn)行振動(dòng)影響的程度和范圍，認(rèn)為在上海音樂廳的防振措施中僅有地下連續(xù)墻的方案存在可行性。文獻(xiàn)[4][5]分別采用數(shù)值方法分析了地下連續(xù)墻對地鐵振動(dòng)的隔振規(guī)律。由于數(shù)值計(jì)算在參數(shù)取值、計(jì)算假定方面與實(shí)際均有所差異，得出的結(jié)論與實(shí)際規(guī)律可能有所偏差。并且，地鐵引起的振動(dòng)通過土層向建筑物內(nèi)傳播的過程非常復(fù)雜，有很多不確定性因素有待于研究，建筑物的實(shí)測資料有時(shí)比數(shù)值分析更重要[6]。

綜上，有必要開展地下連續(xù)墻對地鐵振動(dòng)隔振效果的實(shí)測研究。本文通過實(shí)測的方式對地鐵振動(dòng)的地下連續(xù)墻隔振及相關(guān)規(guī)律進(jìn)行了探討。

2 地下連續(xù)墻隔振效果實(shí)測分析

2.1 測試場地環(huán)境

本次地下連續(xù)墻隔振效果測試在上海市某地鐵沿線工地進(jìn)行。在工地建筑紅線范圍內(nèi)設(shè)置有厚度為0.8 m、深度為20 m的鋼筋混凝土地下連續(xù)墻進(jìn)行基坑圍護(hù)。北側(cè)公路路面下為東西走向的某地鐵區(qū)間隧道，埋深8 m左右。為減小施工振動(dòng)影響，本次振動(dòng)測試在午間工地施工活動(dòng)停止時(shí)進(jìn)行。

2.2 測試設(shè)備

主要測試設(shè)備包括美國國家儀器公司的NIUSB6210采集卡、中國地震局工程力學(xué)研究所的941型放大器、941B型超低頻拾振器及北京東方振動(dòng)和噪聲技術(shù)研究所的DASP-V10測試分析軟件工程版。

2.3 測點(diǎn)布置

為驗(yàn)證鋼筋混凝土地下連續(xù)墻對地鐵振動(dòng)的隔振效果，在場地設(shè)置地連墻前后同一時(shí)間段地鐵經(jīng)過時(shí)，分別對地連墻遠(yuǎn)離地鐵一側(cè)地面相同測點(diǎn)1，2，3處的地面鉛垂向振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行測試分析，比較設(shè)置地連墻前后的場地振動(dòng)差異。

測點(diǎn)布置如圖1所示，地面測點(diǎn)1，2，3距離地鐵隧道下行線中心線分別為15.5 m，24.3 m和32.3 m，距離地連墻分別為9.5 m，18.3 m和26.3 m，測點(diǎn)連線垂直于地連墻。每個(gè)測點(diǎn)布置1個(gè)拾振器，測試方向?yàn)殂U垂向，測試振動(dòng)指標(biāo)為加速度。

2.4 數(shù)據(jù)分析評(píng)價(jià)方法

1)隔振效果的時(shí)域評(píng)價(jià)方法。

本文采用振動(dòng)加速度級(jí)VAL來描述振動(dòng)強(qiáng)度，單位為dB(分貝)，其定義見式(1)。

VAL=20lg(arms/a0)

(1)

其中，arms為加速度有效值；a0為基準(zhǔn)加速度值，大小為10-6m/s2。

同時(shí)，為更直觀地看出隔振前后振動(dòng)變化量，還采用屏障隔振研究中普遍采用的振幅衰減系數(shù)AR[7]作為隔振效果評(píng)價(jià)指標(biāo)，其表達(dá)式如式(2)所示。

(2)

若某測點(diǎn)隔振后的振幅衰減系數(shù)為AR，則表明隔振后該點(diǎn)的振動(dòng)減小了(1-AR)×100%。

通過以下推導(dǎo)過程可以獲得振動(dòng)加速度級(jí)變化量ΔVAL與AR之間的換算關(guān)系。

令隔振前后的同一測點(diǎn)的振動(dòng)加速度級(jí)分別為VAL1和VAL2，對應(yīng)的加速度有效值分別為a1和a2，則根據(jù)式(1)得:

(3)

即:

AR=10ΔVAL/20

(4)

本文中擬采用上述方法在時(shí)域內(nèi)評(píng)價(jià)地連墻對地鐵振動(dòng)的隔振效果。

2)隔振效果的1/3倍頻程評(píng)價(jià)方法。

1/3倍頻程法是國際上用于分析環(huán)境微振動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)頻域方法。其具體計(jì)算過程如下：

a.將采集到的加速度時(shí)程曲線進(jìn)行快速傅葉變換(FFT)轉(zhuǎn)換至頻域，并計(jì)算功譜密度函數(shù)(PSDF)：

(5)

其中，|Y(f)|為加速度時(shí)程曲線經(jīng)過FFT變換的振幅；T為時(shí)域內(nèi)選取的時(shí)程。

b.將頻率軸劃分為若干寬頻帶，每個(gè)寬頻帶上下限頻率分別為fu和fl，中心頻率為:

fc=21/6×fl=2-1/6×fu

(6)

c.在每一寬頻段中計(jì)算累計(jì)的中心頻率功密度函數(shù)積分值Ey(fc):

(7)

d.計(jì)算中心頻率fc的RMS(Root-Mean-Square)頻譜值:

(8)

即可得到以中心頻率為橫坐標(biāo)的加速度頻域曲線。

本文采用1/3倍頻程法在頻域內(nèi)分析地連墻對不同頻率區(qū)間范圍內(nèi)地鐵振動(dòng)的隔振效果。

2.5 地鐵振動(dòng)的地連墻隔振效果分析

1)地連墻隔振效果時(shí)域分析。

現(xiàn)場記錄了地連墻隔振前后、相同時(shí)間段內(nèi)7輛地鐵列車經(jīng)過測線時(shí)各測點(diǎn)振動(dòng)加速度數(shù)據(jù)。繪制隔振前后各測點(diǎn)典型加速度時(shí)程曲線如圖2所示，列舉隔振前后各測點(diǎn)加速度級(jí)與平均振動(dòng)加速度級(jí)如表1所示，繪制隔振前后各測點(diǎn)平均振動(dòng)加速度級(jí)隨距離變化如圖3所示。

由圖2知，設(shè)置地連墻前，地鐵列車經(jīng)過時(shí)引發(fā)振動(dòng)從測點(diǎn)1傳播至測點(diǎn)3過程中呈衰減趨勢，振動(dòng)加速度時(shí)程曲線振幅依次減小。設(shè)置地連墻后，同時(shí)段地鐵列車經(jīng)過時(shí)，各測點(diǎn)振動(dòng)幅值較設(shè)置地連墻前有明顯減小。由表1及圖3可更清楚地看出，設(shè)置地連墻后，同時(shí)段7輛地鐵列車經(jīng)過測線時(shí)，測點(diǎn)1，2，3的平均振動(dòng)加速度級(jí)依次減小了9.8 dB(67.6%)，2.76 dB(27.2%)和1.75 dB(18.2%)，振幅衰減系數(shù)AR分別為32.4%,72.8%和81.8%。可見，地鐵經(jīng)過時(shí)，地連墻對其遠(yuǎn)離地鐵一側(cè)的地面振動(dòng)有明顯隔振效果。地面測點(diǎn)距地連墻越近，隔振效果越好，振動(dòng)減小幅度越大；隨著距離的增大，測點(diǎn)處隔振效果逐漸變差，測點(diǎn)振動(dòng)開始逐漸趨近但仍小于隔振前振動(dòng)級(jí)別。

表1 隔振前后各測點(diǎn)地鐵

dB

2)地連墻隔振效果頻域分析。

以上從時(shí)域角度分析了地鐵振動(dòng)的地連墻隔振效果，該隔振效果是不同頻段振動(dòng)減小的綜合體現(xiàn)。為了解地連墻對哪個(gè)頻段的地鐵振動(dòng)影響較顯著，下文擬從頻域角度開展進(jìn)一步分析。為方便描述，定義設(shè)置地連墻后，測點(diǎn)振動(dòng)減小的頻率區(qū)間為“有效隔振頻率區(qū)間”。

圖4為對應(yīng)于圖2所示隔振前后各測點(diǎn)典型加速度時(shí)程的1/3倍頻程曲線。由圖4知，設(shè)置地連墻前，地鐵列車經(jīng)過時(shí)，各地面測點(diǎn)振動(dòng)頻率主要集中于50 Hz～80 Hz中高頻段，與文獻(xiàn)[8]中“地鐵運(yùn)行引起的地面振動(dòng)的主要頻率成分在60 Hz～80 Hz之間”的結(jié)論基本一致。設(shè)置地連墻后，距地連墻最近的測點(diǎn)1有效隔振頻率區(qū)間為1 Hz～8 Hz，16 Hz～20 Hz，31.5 Hz～100 Hz；測點(diǎn)2有效隔振頻率區(qū)間為1 Hz～6.3 Hz，50 Hz～80 Hz；測點(diǎn)3有效隔振頻率區(qū)間為1 Hz～6.3 Hz，40 Hz～100 Hz。各測點(diǎn)的公共有效隔振頻率區(qū)間為1 Hz～6.3 Hz，50 Hz～80 Hz，這兩個(gè)頻率區(qū)間內(nèi)各測點(diǎn)處的振動(dòng)加速度級(jí)減小量如表2所示。

表2 地連墻隔振后各測點(diǎn)

dB

由表2知，地連墻對地鐵振動(dòng)主頻所在50 Hz～80 Hz中高頻段的振動(dòng)成分有顯著隔振效果。其中，隨測點(diǎn)至地連墻距離的增大，50 Hz～80 Hz中高頻段地鐵振動(dòng)加速度級(jí)減小量由11.26 dB～14.94 dB逐步減小至3.89 dB～7.37 dB，隔振效果逐步減弱。此外，地連墻對1 Hz～6.3 Hz低頻段振動(dòng)成分也有明顯隔振效果，但該頻段地鐵振動(dòng)隔振效果隨測點(diǎn)距離變化規(guī)律性不強(qiáng)。

3 結(jié)語

本文基于現(xiàn)場實(shí)測振動(dòng)數(shù)據(jù)，從時(shí)域和頻域角度分析了鋼筋混凝土地下連續(xù)墻對地鐵振動(dòng)的隔振效果及規(guī)律。主要結(jié)論如下：

1)由時(shí)域分析結(jié)果知，地鐵經(jīng)過時(shí)，地連墻對其遠(yuǎn)離地鐵一側(cè)的地面振動(dòng)有明顯隔振效果。其中，地面測點(diǎn)距地連墻越近，隔振效果越好，振動(dòng)減小幅度越大；隨著測點(diǎn)至地連墻距離的增大，振動(dòng)減小幅度也隨之減小。

2)由頻域分析結(jié)果知，地連墻對地鐵振動(dòng)主頻所在50 Hz～80 Hz中高頻段的振動(dòng)成分有顯著隔振效果。對1 Hz～6.3 Hz低頻段振動(dòng)成分也有明顯隔振效果。

3)各測點(diǎn)50 Hz～80 Hz中高頻段地鐵振動(dòng)隔振效果隨測點(diǎn)至地連墻距離的增大而逐步減弱；各測點(diǎn)1 Hz～6.3 Hz低頻段地鐵振動(dòng)隔振效果隨測點(diǎn)距離變化規(guī)律性不強(qiáng)。

4)地下連續(xù)墻可視為填充材料為混凝土的填充溝，對地鐵運(yùn)營引發(fā)的地面中高頻振動(dòng)和低頻振動(dòng)均有不同程度的隔振效果，可作為一種減小地鐵振動(dòng)對環(huán)境影響的有效隔振手段。

[1] Adam M,Von Estorff O.Reduction of train-induced building vibration by open and filled trenches[J].Computers and Structures，2005，83(1)：11-24.

[2] 邱 暢，高廣運(yùn)，岳中琦，等.屏障隔振系統(tǒng)失效機(jī)理的探討[J].西北地震學(xué)報(bào)，2003，25(3)：198-203.

[3] 周裕德，祝文英，應(yīng)樂惇，等.地鐵振動(dòng)對上海音樂廳遷址影響分析及對策措施[A].上海市環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)第11屆學(xué)術(shù)年會(huì)論文集[C].上海：上海市環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì)，2004：28-31.

[4] 朱玉星.地鐵運(yùn)行激勵(lì)下土層振動(dòng)的有限元分析與隔振研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2007.

[5] 栗潤德.地鐵列車引起的地面振動(dòng)及隔振措施研究[D].北京：北京交通大學(xué)，2008.

[6] Andersen L，Nielsen S R K.Reduction of ground vibration by means of barriers or soil improvement along a railway track[J].Soil Dynamics and Earthquake Engineering，2005，25(7)：701-716.

[7] Metrikine A V,Vrouwenvelder A C W M.Surface ground vibration due to a moving train in a tunnel[J].Journal of Sound and Vibration，2000，234(1)：43-66.

[8] 席兆凱，陳清軍.地鐵運(yùn)行引起地面振動(dòng)與噪聲的實(shí)測分析[A].第23屆全國結(jié)構(gòu)工程學(xué)術(shù)會(huì)議論文集(第Ⅱ冊)[C].北京：工程力學(xué)雜志社，2014：379-385.

The underground continuous wall isolation vibration measurement analysis on subway vibration★

Li Ning

(ShanghaiRockandSoilEngineeringDesignandResearchInstituteLimitedCompany,Shanghai200438,China)

Through the field measured the vibration change situation before and after along a subway site in Shanghai setting of underground continuous wall, from the time domain and frequency domain, this paper analyzed the vibration isolation effect and rule of underground continuous wall to subway vibration, the test and analysis results showed that: the underground continuous wall had good vibration isolation effect to ground mid-high frequency and low frequency vibrations caused by subway operation, could be used as a effective vibration isolation methods reducing the influence of subway vibration to environmental.

underground continuous wall, subway vibration, vibration isolation effect, acceleration

1009-6825(2016)18-0051-03

2016-04-16★：上海市科委科研計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：10231200704)

李 寧(1980- )，男，博士，工程師

TU435

A